Термообработка после сварки — одна из самых сложных процедур для печи с подом на тележке, и в ней стоимость ошибок измеряется в виде вышедших из строя сосудов под давлением, бракованных теплообменников и списанных тяжелых металлоконструкций на сотни тысяч долларов.
Компания MONTE INTELLIGENCE поставляет печи с подом на тележках для термической обработки после сварки (PWHT) производителям металлоконструкций в Китае, Юго-Восточной Азии и на Ближнем Востоке. В этих печах обрабатываются сварные конструкции весом от 5-тонных корпусов сосудов под давлением до 80-тонных колонн реакторов. В данной статье рассматриваются требования к конструкции печи, процедурные аспекты и документация по соответствию нормативным требованиям, которые отличают успешную термическую обработку после сварки от проблемной.
Термообработка после сварки (PWHT) требуется в соответствии со строительными нормами — ASME Section VIII для сосудов под давлением, ASME B31.3 для технологических трубопроводов, AWS D1.1 для конструкционной сварки — когда толщина основного металла превышает установленные пределы, когда в условиях эксплуатации присутствует водород или коррозия под напряжением, или когда это предусмотрено проектной спецификацией независимо от требований норм. Цель PWHT — уменьшить остаточные напряжения от сварки, закалить микроструктуру зоны термического воздействия и, в некоторых случаях, снизить риск образования трещин, вызванных водородом.
Термический цикл термической обработки после сварки состоит из трех фаз, которые печь должна выполнять точно. Во-первых, фаза нагрева — печь должна повышать температуру заготовки от комнатной до температуры выдержки с контролируемой скоростью. Раздел VIII стандарта ASME устанавливает максимальную скорость нагрева 222°C в час, деленную на толщину в дюймах, до максимальной скорости 222°C в час при температуре выше 315°C. Для сварного соединения толщиной 50 мм (2 дюйма) это означает максимальную скорость нагрева 111°C в час при температуре выше 315°C.
Во-вторых, фаза выдержки — заготовка должна выдерживаться при заданной температуре в течение минимального времени. Раздел VIII стандарта ASME устанавливает минимальное время выдержки в один час на каждые 25 мм (1 дюйм) толщины, но не менее 30 минут. Температура выдержки зависит от основного материала. Для углеродистых сталей P-№ 1 минимальная температура выдержки составляет 593°C (1100°F). Для хромомолибденовых сталей P-№ 4 она колеблется от 675 до 730°C в зависимости от содержания хрома.
Третий этап — охлаждение: заготовку необходимо охлаждать от температуры выдержки до температуры ниже 315°C с контролируемой скоростью. Максимальная скорость охлаждения составляет 278°C в час, деленная на толщину в дюймах, но не более 278°C в час при температуре выше 315°C. При температуре ниже 315°C заготовку можно охлаждать на воздухе.
Именно эти требования к скорости нагрева и охлаждения делают проектирование печи для термической обработки после сварки сложной задачей. Для упомянутой выше 80-тонной реакторной колонны с толщиной сварного шва 100 мм максимальная скорость нагрева выше 315°C составляет всего 56°C в час. Полный цикл термической обработки после сварки — нагрев от окружающей среды до 620°C, выдержка в течение 4 часов, охлаждение до 315°C — занимает 28-32 часа. Печь должна поддерживать равномерность температуры по всей длине и поперечному сечению заготовки на протяжении всего этого цикла.
Равномерность температуры — это параметр производительности печи, определяющий качество термической обработки после сварки. Раздел VIII стандарта ASME требует, чтобы разница температур между любыми двумя точками на заготовке в течение периода выдержки не превышала 65°C (150°F) для большинства материалов. Для реакторной колонны длиной 12 метров в печи с подом на тележке достижение такой равномерности требует тщательного размещения горелок, проектирования вентилятора рециркуляции и разделения зон управления.
Как правило, мы разделяем большие печи с подом для термической обработки воды на 4–8 независимо управляемых температурных зон, каждая со своей горелкой или нагревательным элементом, своим входом для термопары и своим ПИД-регулятором. Контроллеры зон взаимодействуют с центральным диспетчерским контроллером, который координирует изменение заданных значений температуры для поддержания заданных скоростей нагрева и охлаждения, сохраняя при этом разницу температур между зонами в допустимых пределах.
Размещение и крепление термопар является ключевым звеном в цепочке управления процессом. Согласно нормативным требованиям, термопары должны быть прикреплены к заготовке, а не находиться в атмосфере печи. Для толстых деталей термопары следует крепить в месте сварки, поскольку именно там температура наиболее критична. Методы крепления включают емкостную сварку (предпочтительно для постоянных термопар), хомуты (для временных термопар на небольших деталях) и проволочные стяжки (для деталей сложной геометрии).
Необходимое количество термопар зависит от размера заготовки и требований стандарта. Согласно разделу VIII стандарта ASME, требуется как минимум одна термопара на первые 3 метра длины заготовки и еще одна термопара на каждые дополнительные 3 метра, всего не менее трех. Для сосуда длиной 10 метров требуется четыре термопары. Каждая термопара должна быть подключена к калиброванному регистратору, который печатает или записывает показания температуры на протяжении всего цикла.
Калибровка является документальной основой обеспечения качества термической обработки после сварки. Каждый термоэлемент, используемый для термической обработки после сварки, должен быть откалиброван по прослеживаемому стандарту в течение предшествующих 12 месяцев. Регистратор температуры должен быть откалиброван в течение предшествующих 6 месяцев. Сама печь должна ежегодно проходить проверку равномерности температуры (TUS) в соответствии со стандартом AMS 2750 или эквивалентным стандартом, чтобы убедиться, что печь обеспечивает требуемую равномерность температуры в условиях нагрузки.
Конфигурация загрузки влияет на равномерность температуры так же сильно, как и конструкция печи. Заготовка, расположенная близко к стенке печи, может иметь другую температуру, чем заготовка, расположенная в центре. Заготовка, блокирующая поток рециркуляционного воздуха, может создать холодную зону ниже по потоку. Спецификация термической обработки после сварки должна включать схему загрузки, учитывающую эти проблемы, а на тележке должны быть отмечены места для опор заготовки, чтобы обеспечить постоянную загрузку от одного цикла к другому.
Печи MONTE INTELLIGENCE с подовой топкой для термической обработки воды и теплообменниками разработаны с учетом требований этих норм. Наша стандартная конструкция включает многозонное регулирование температуры, высокопроизводительные вентиляторы рециркуляции (обычно 3-6 циклов рециркуляции в минуту), калиброванные входы для термопар и системы регистрации данных, которые автоматически генерируют необходимую документацию в соответствии с нормами.
Для получения предложения по термической обработке после сварки, соответствующего вашим производственным требованиям, свяжитесь с нами по адресу helenxu@cnlymonte.com.
